空空通信條件下的功率控制算法研究

【摘要】為了減小空空通信時的相互干擾，提高通信隱身性，以及便于對網絡拓撲進行優化控制，必須對通信鏈路實施功率控制。本文結合空空通信的功率控制特性，分析了多種常用的功率控制技術的適用性，并設計了幾種適合于空空通信條件下的功率控制算法，并通過仿真驗證了設計的算法的有效性，比較了各種算法之間的性能。

【關鍵詞】空空通信功率控制開環控制閉環控制Research on Power Control in the Context of Air-Air Communication

Qu Tiangang

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu 610036， China）

Abstract： In order to mitigate interferences， decrease the probability of detection， and optimize the network topology， it is a must to control the power of the communication link in the context of air-air communication. Based on characteristics of the power control in air-air communication， this paper analyzed the applicability of some common power controlling techniques， designed several power controlling algorithms that were fit for the context of air-air communication， validated the efficacy of the proposed algorithms， and compared the performance of them.

Key words： Air-Air Communication， Power Control， Open-loop Control， Closed-loop Control

一、引言

空空條件下的通信鏈路通常需要具備作用距離遠，速率高，以及隱蔽性好[1-3]等特點。為了減小空空通信的相互干擾，提升網絡容量；更進一步提高通信的隱身性；以及更好地優化控制通信網絡拓撲，就必須對通信鏈路實施功率控制。因此，本文對空空通信條件下的功率控制技術展開研究，并設計了幾種適用于該環境的功率控制算法。

二、常用功率控制算法介紹

本小節以CDMA蜂窩移動通信系統為例對常用的功率控制算法進行介紹。

CDMA系統是一種干擾受限系統，系統內產生的內在干擾在決定系統容量和話音質量方面起到了關鍵作用。在反向鏈路中，由于移動臺與基站間距離的不同會產生“遠近效應”[4，5]；在前向鏈路上，由于用戶的隨機移動會面臨“角效應”和“陰影效應”[6，7]。這些現象將會導致系統容量下降和實際通信范圍縮小等。

功率控制是解決上述問題的關鍵技術，其目標是在上述所有條件下保持鏈路質量的同時，限制前向和反向鏈路的發射功率。

2.1功率控制準則

功率控制準則是指功率控制的基本依據。從原理上看，功率控制準則大致可以分為功率平衡準則和信號干擾比（Signal Interference Ratio，簡稱SIR）平衡準則[8]：

1、功率平衡準則基本原理：（1）功率平衡是指在接收端收到的有用信號功率相等。（2）對于反向鏈路，功率平衡的目標是使各個移動臺到達基站的信號功率相等。

2、SIR平衡準則基本原理：（1）SIR平衡是指接收到的信號干擾比相等。（2）對于反向鏈路，使基站接收到的各個移動臺信號的SIR相等。

在單小區蜂窩系統中的反向鏈路，當各個移動臺到達基站的信號功率相等時，所對應的SIR也相等。因此在單小區系統中，反向鏈路功率平衡準則與SIR平衡準則是等效的。但是單小區蜂窩系統的前向鏈路以及多小區蜂窩系統中，功率平衡準則與SIR平衡準則具有不同的含義。

和SIR平衡相比，功率平衡功率控制方法易于實現，但性能不如SIR平衡。SIR平衡準則也有局限性，比如在反向鏈路中，SIR功控有可能導致正反饋，而使系統失去穩定性。

2.2功率控制的分類

2.2.1前向和反向功率控制

按照通信的上下行鏈路方向，功率控制可以分為前向功率控制和反向功率控制。

前向功率控制用來控制基站的發射功率，使所有移動臺能夠有足夠的功率正確接收信號，在滿足要求的情況下，基站的發射功率應盡可能地小，以減少對相鄰小區間的干擾，克服角效應[9]。

反向功率控制用來控制每一個移動臺的發射功率，使所有移動臺在基站端接收的信號功率或信噪比基本相等，達到克服遠近效應的目的[10]。

2.2.2開環和閉環功率控制

按照形成環路的方式，功率控制可以分為開環功率控制和閉環功率控制[1]。

開環功率控制是指移動臺或基站根據下行或上行鏈路信號質量，對信道衰弱進行估計，在此基礎上進行補償。

閉環功率控制指基站或移動臺根據上行或下行鏈路信號質量，產生功率控制指令，再經過下行或上行鏈路將功率控制信令傳送給移動臺或基站，移動臺或基站根據功率控制命令調整發射功率，以達到功率平衡或SIR平衡。閉環功率控制的主要優點是控制精度高，也是實際系統中常采用的精確控制手段。其缺點是從控制命令的發出到改變功率存在時延，當時延上升時，功率控制性能將嚴重下降。同時還存在穩態誤差大和占用系統資源等缺點。閉環功率控制又可以進一步分為內環功率控制技術和外環功率控制技術。

2.2.3內環和外環功率控制

按照功率控制的目的，功率控制可以分為內環功率控制和外環功率控制。內環功率控制用來補償由于多徑效應引起的衰落，使接收到的值達到由外環功率控制提供的目標值。內環功率控制速度較快，又稱快速功率控制

外環功率控制的目的是保證通信質量在一定的標準上，而此標準的提出是為了給內環功率控制提供足夠高的信噪比要求。外環功率控制的速度比較緩慢，因此外環功率控制又稱為慢速功率控制，一般是每10～100ms調整一次[12]。

2.2.4集中式和分布式功率控制

按照實現功率控制的方式，功率控制可以分為集中式功率控制和分布式功率控制。前向功率控制一般都是集中式功率控制，反向功率控制是分布式功率控制。

集中式功率控制根據接收到的信號功率和鏈路預算來調整發射端的功率，以使接收端SIR的基本相等。其最大的難點是要求系統在每一時刻獲得一個歸一化的鏈路增益矩陣，這在用戶較多的小區內是較難實現的[13]。

分布式功率控制首先是在窄帶蜂窩系統中提出來的，它通過迭代的方式近似地實現最佳功率控制，而在迭代的過程中只需各個鏈路的SIR即可。即使對的估計有誤差，分布式平衡算法仍是一種有效的算法。對于系統，當不考慮估計誤差時，分布式算法非常有效，但是當估計存在誤差時，分布式平衡算法有可能不再收斂于一個平衡SIR。隨誤差的增加，系統的性能很快下降[14]。

三、空空通信條件下的功率控制特性

在設計功率控制算法的時候，必須結合空空通信的以下特點：

（1）屬于對稱鏈路。發送和接收處于同一頻率，發送和接收的電磁波路徑幾乎完全一致，因此適合開環功率控制。

（2）無線信道以慢衰落為主。空空通信鏈路主要用于視距內通信，無遮擋，信道條件較好，主要衰落為自由空間路徑損耗，因此適合慢速功率控制。

（3）具有高動態性。空空通信節點移動速度通常遠遠大于手機通信系統中移動速度，因此，對功率控制的響應速度提出了要求。

（4）具有通信雙方的位置等先驗信息。根據通信網絡組網協議，通信雙方周期地互相交換位置等信息，則可根據這些信息獲得距離等信息，從而可以進行鏈路預算，為功率控制提供輔助手段。

（5）通信雙方能夠周期性交互信息。根據組網協議設計，通信雙方可周期性地交換位置等信息，可用于閉環功率控制，傳輸功率控制指示命令。

（6）不存在多址干擾，因此對于空空通信來說，功率平衡準則和SIR平衡準則沒有區別。

四、空空通信功率控制算法設計

4.1設計原則

基于設計好的組網協議，且不考慮傳輸速率的變化。在保證通信的基礎上，盡量降低發射功率，提高隱身性能。

4.2算法一

僅用距離信息進行功率控制。

通信雙方在信息交互期均以固定功率P0（通常是最大功率）進行發送，即只在通信期間進行功率控制。通過在信息交互期的位置信息交換，通信雙方均獲得了對方的位置信息。

當節點A在向節點B發送數據時，先解算AB之間的距離，然后進行鏈路預算，從而推算出所需的發射功率。指的注意的是，在預算時，應考慮兩者的姿態，將掃描帶來的增益損失補償進去。

該方式的特點：（a）不需要信號強度測量，實現簡單。（b）控制精度低。（c）不能適應無線信道的動態變化，如突發的降雨損耗等。

4.3算法二

采用簡單的開環功率控制。

通信雙方在信息交互期均以固定功率P0（通常是最大功率）進行發送。假定在兩個相鄰的信息交互期中，第一個時期是節點A發送，節點B接收；下一個時期是節點B發送，節點A接收，即節點A和節點B在這兩個時間段中完成一次握手。則功率控制過程如下所示：（1）在第一個信息交互期，節點A以固定功率P0向節點B發送，節點B接收后，測量接收的信號強度，并以此估算出節點A至節點B之間鏈路的損耗，并以此推導出A→B所需的最小發射功率Pbmi（n考慮一定余量）；（2）同樣，在第二個信息交互期，節點B以固定功率P0向節點A發送，節點A接收并測量，計算出B→A所需的最小發射功率Pamin；（3）在隨后的通信期中，當節點A向節點B發送數據時，均以功率Pamin進行發送；當節點B向節點A發送數據時，均以功率Pbmin進行發送；（4）各節點均在信息交互期進行最小功率的估計，并以此作為隨后通信期中的發射功率。

該方式的特點：（1）簡單易操作。（2）不需要額外的功率控制管理命令，因此不會占用系統的通信資源。（3）該方式過分依賴信號強度的測量精度，功控精度較低。（4）該方式下的功控頻率為50ms（信息交互期的周期）一次，功控周期內一次調整到位。

4.4算法三

采用簡單的閉環控制，只有內環控制，沒有外環控制。在報頭中增加“功率調節指示”數據項：0—無報告，1—增加，2—減少。

（1）當節點A首次向節點B發送數據時，以固定功率P0（通常是最大功率）進行發送，此時，“功率調節指示”填為“無報告”；

（2）當節點B接收到節點A的信號時，進行信號強度檢測，若發現信號強度高于某個門限值，則在節點B向節點A發送數據的時候，將“功率調節指示”填為“減少”；若發現信號強度低于某個門限值，則在則在節點B向節點A發送數據的時候，將“功率調節指示”填為“增加”；

（3）當節點A接收到節點B的數據后，解析“功率調節指示”，相應地增加或減少發射功率一個等級；

（4）重復進行b、c步驟；（5）當節點B首次向節點A發送數據時，過程類似；（6）值得注意的是，在這里鏈路A→B與B→A是各自獨立進行功率控制的。

特點：（1）采用逐步調節的方法，控制精度比開環控制高。（2）一對通信期功率調整一次，收斂速度較慢。（3）沒有考慮上層業務需求的多樣性。（4）與開環功控相比，占用了通信資源，每個時隙占用2比特。

五、仿真分析

5.1仿真模型

5.1.1通信模型

通信模型如圖1所示，節點A和B每隔50ms向對方發送一條包含自身信息的消息，且一條消息傳播需要10ms時延。

5.1.2環境模型

鏈路損耗模型和此前計算鏈路電平時基本保持一致，各種固定損耗共計7dB，其余損耗約為6dB，環境條件為：（1）降雨概率：1%；（2）降雨持續時間：6～12S內隨機均勻分布；（3）噪聲：正態分布，均值：0，方差：1/4，且取絕對值；（4）測量誤差：正態分布，均值：0，方差：1/4。

5.1.3仿真參數

仿真時間為60s。

5.2仿真結果和分析

仿真結果如上表所示：

由上表可以看出，算法二收斂時間穩定，通信終端概率小，并且具有最小的功率控制精度方差，是一種較穩定的功率控制算法。

六、結論

本文針對空空通信條件下的功率控制技術展開了深入研究，分析了常用功率控制技術在該環境下的可用性，并設計了三種適用于該環境的功率控制算法。仿真實驗說明，三種算法均能達到功率控制效果。其中，算法二性能最好，可以作為一種較為穩定的功率控制算法。

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